CN110797194B - 包括液囊的多层电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括液囊的多层电容器。所述多层电容器包括：主体，所述主体包括陶瓷烧结体，在所述主体中堆叠有多个内电极；以及外电极，设置在所述主体的外表面上并且电连接到所述内电极。所述陶瓷烧结体包括液囊。

Description

包括液囊的多层电容器
本申请要求于2018年8月1日在韩国知识产权局提交的第10-2018-0089914号韩国专利申请的优先权的权益，所述韩国专利申请的公开内容通过引用被全部包含于此。
技术领域
本公开涉及一种多层电容器。
背景技术
多层电容器已经用于各种电子组件中，并且近来，随着需要高可靠性的技术领域的各种功能的数字化以及随着需求的增加，在这种多层电容器中已需要高度可靠性。
为了提高多层电容器的可靠性，需要确保结构稳定性。为此，应该显著减少构成多层电容器的陶瓷体、内电极等中的缺陷。
随着装置的小型化，已进一步提高了改善多层电容器的可靠性的必要性。已经在本领域中尝试开发各种技术来减小内电极或介电层的厚度或改善添加剂的分散性。
发明内容
本公开的一方面可提供一种多层电容器，通过控制形成主体的陶瓷烧结体的烧结性能、晶粒尺寸等来提高所述多层电容器的可靠性。
根据本公开的一方面，一种多层电容器可包括：主体，所述主体包括陶瓷烧结体，在所述主体中堆叠有多个内电极；以及外电极，设置在所述主体的外表面上并电连接到所述内电极。所述陶瓷烧结体包括液囊。
所述液囊可形成在所述陶瓷烧结体中的晶界处。
所述液囊可形成在通过包括在所述陶瓷烧结体中的多个晶粒中彼此相邻的至少三个晶粒形成的多晶界处。
在所述陶瓷烧结体中包括的多个晶粒中，与所述液囊相邻的晶粒的尺寸可比与所述液囊不相邻的晶粒的尺寸小。
在所述陶瓷烧结体中包括的所述多个晶粒中，与所述液囊相邻的晶粒的平均尺寸可小于与所述液囊不相邻的晶粒的平均尺寸。
在所述陶瓷烧结体中包括的所述多个晶粒中，与所述液囊相邻的晶粒的平均尺寸可小于与所述液囊不相邻的晶粒的平均尺寸的一半。
所述液囊的直径可在10nm至50nm的范围内。
所述液囊的平均直径可在10nm至50nm的范围内。
基于截面，每1μm2面积的所述陶瓷烧结体的液囊的平均数量可在1至10的范围内。
基于截面，每1μm2面积的所述陶瓷烧结体的液囊的平均数量可大于2。
所述陶瓷烧结体还可包括空腔。
所述空腔的尺寸可比所述液囊的尺寸大。
所述空腔可基于截面具有0.1μm至10μm的尺寸。
所述陶瓷烧结体可利用BT基陶瓷材料形成，并包含Si或Al成分中的至少一种作为添加成分。
所述多个内电极中的彼此相邻的内电极之间的平均间隔可以是0.4μm或更小。
所述多个内电极的平均厚度可以是0.4μm或更小
所述液囊可形成在分隔相邻内电极的介电层中。
附图说明
通过以下结合附图进行的详细描述，本公开的以上和其他方面、特征和优点将被更清楚地理解，在附图中：
图1是示意性地示出了根据本公开中的示例性实施例的多层电容器的局部切除透视图；
图2和图3是图1的多层电容器的示意性截面图，分别是多层电容器的沿图1的A-A'线截取的截面图和沿图1的B-B'线截取的截面图；
图4是示出图2的主体的介电层的一些区域(M区域)的放大图；以及
图5和图6是示出根据发明示例获得的多层电容器的介电层和内电极的放大的电子显微镜图像。
具体实施方式
在下文中，现将参照附图详细描述本公开的示例性实施例。
图1是示意性地示出了根据本公开中的示例性实施例的多层电容器的局部切除透视图。图2和图3是图1的多层电容器的示意性截面图，分别是多层电容器的沿图1中A-A'线截取的截面图和沿图1中B-B'线截取的截面图。图4是示出图2的主体的介电层的一些区域(M区域)的放大图。
参照图1至图4，根据本示例性实施例的多层电容器100可具有包括主体110以及外电极131和132的结构，主体110中堆叠有多个内电极121和122，主体110包括陶瓷烧结体。在这种情况下，主体110可包括形成在陶瓷烧结体中的液囊203。
多个介电层111可堆叠在主体中，并且如以下描述，主体110可通过堆叠和烧结多个生片来获得。多个介电层通过如上所述的烧结可彼此一体化。主体110的形状和尺寸以及堆叠的介电层111的数量不限于本示例性实施例中所示的那些。例如，如图1所示，主体110可具有长方体形状。即使根据本实施例的多层电容器100具有相对小的尺寸，其可靠性也可以是优异的。更具体地，介电层111可以在苛刻条件下具有优异的绝缘性能。介电层111的厚度t1(即，在多个内电极121和122中的彼此相邻的内电极之间的平均间隔)可以是0.4μm或更小。
主体110中包括的介电层111可包含具有高介电常数的陶瓷材料。例如，介电层111可包含钛酸钡(BaTiO3)基陶瓷材料，但是只要可获得足够的电容，也可使用本领域已知的其他材料。如果需要，除了相当于主要成分的上述陶瓷材料之外，介电层111还可包括添加剂、有机溶剂、增塑剂、粘合剂、分散剂等。这里，添加剂的示例可包括金属成分，并且这些金属成分可在制造过程中以金属氧化物的形式添加。如上所述的金属氧化物添加剂的示例可包括MnO2、Dy2O3、BaO、MgO、Al2O3、SiO2、Cr2O3和CaCO3中的至少一种材料。在这种情况下，可以添加在烧结期间形成液相的元素，以在如下所述的陶瓷烧结体中有效地形成液囊203。例如，陶瓷烧结体可以包含Ba成分、Si成分、Al成分等作为添加成分。
同时，主体110可包括通过内电极121和内电极122形成电容的有效区115以及设置在有效区115的在厚度方向上的两侧(即，图1至3中有效区115的上表面和下表面)上的覆盖区112和覆盖区113。这里，有效区115可包括其中设置内电极121和122的电容区116和位于未设置内电极121和122的外部中的侧边缘区114。
覆盖区112和覆盖区113可用于防止第一内电极121和第二内电极122被物理或化学应力损坏，并且除了不包括内电极121和内电极122之外，具有与有效区155的介电层111的材料和构造基本相同的材料和构造。在这种情况下，覆盖区112和覆盖区113可通过堆叠和烧结生片而一起获得。如上所述的覆盖区112和覆盖区113可通过在有效区115的上表面和下表面上堆叠一个或两个或更多个生片以烧结形式来实现。
内电极121和122可连接到彼此不同的外电极131和外电极132，以在驱动时具有彼此不同的极性。如下所述，内电极121和内电极122可通过在陶瓷生片的一个表面上以预定厚度印刷和烧结含有导电金属的膏体而获得。在这种情况下，如图1和图3所示，内电极121和内电极122可在堆叠方向上形成为交替地暴露于主体110的两个端面，并且可通过介于其间的介电层111彼此电绝缘。构成内电极121和内电极122的主要成分的示例可包括镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、银(Ag)等，也可使用其合金。多个内电极121和内电极122可变薄以适于多层电容器100的小型化。例如，其平均厚度t2可以是0.4μm或更小。
外电极131和外电极132可形成在主体110的外表面上，并且可分别电连接到内电极121和内电极122。外电极131和外电极132可通过以下方法形成：将包含导电金属的材料制备为膏体的形式并将该膏体施加在主体110上，导电金属的示例可包括镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、金(Au)或它们的合金。
参照图4的放大图，在本示例性实施例中，形成主体110的陶瓷烧结体可包括多个晶粒201和由多个晶粒201形成的晶界202，并且液囊203可形成在晶界202中。更具体地说，如图4所示，液囊203可形成在通过多个晶粒201中的彼此相邻的至少三个晶粒201形成的多晶界(multiple grain boundary)(例如，三相点晶界(triple-point grain boundary))处。然而，尽管图4示出了介电层111的一些区域M，但主体110的其他区域(即，覆盖区112和覆盖区113以及侧边缘区114)可具有与区域M类似的结构。
在烧结介电层111期间可在晶粒之间形成液囊203，因此，液囊203可具有抑制液囊203周围的晶粒的晶粒生长的效果。更具体地，在混合并且烧结BT(即，钛酸钡)基陶瓷颗粒、金属氧化物添加剂等的情况下，形成液相的元素(例如Ba、Si、Al等)可在晶粒之间的区域中形成液囊203。根据本发明人的研究，如上所述的大部分液囊203可形成在三相点晶界中，并且通过适当地控制烧结条件而在烧结之后被保留。
在致密化完成之后进行晶粒201的晶粒生长时，形成在三相点晶界中的液囊203可用于抑制额外的晶粒生长，使得在多个晶粒201中，与液囊203相邻的晶粒的尺寸可比与液囊203不相邻的晶粒的尺寸小。因此，在多个晶粒201中的与液囊203相邻的晶粒201的平均尺寸d1可小于与液囊203不相邻的晶粒201的平均尺寸d2。此外，在多个晶粒201中的与液囊203相邻的晶粒201的平均尺寸d1可小于与液囊203不相邻的晶粒201的平均尺寸d2的一半。这里，晶粒的平均尺寸d1和d2可以被定义为基于截面的当量圆直径。
可以根据陶瓷烧结体的材料或烧结条件等来调节液囊203的数量和尺寸。例如，液囊203的直径可以在10nm到50nm的范围内。而且，液囊203的平均直径可以在10nm到50nm的范围内。此外，考虑到液囊203的出现频率，基于截面，每1μm2面积的陶瓷烧结体的液囊203的数量可在1至10的范围内。
如上所述，由于抑制了液囊203周围的晶粒生长而可以分布细晶粒201，因此可以改善介电层111的耐受电压特性和可靠性。这里，介电层111的可靠性可表示高温加速性能和耐湿性能等。描述在烧结期间保持液囊203的原理，首先，在用于介电层的生片中，根据烧结温度的升高消耗添加剂和液相，并且进行晶粒的生长和致密化。例如，进行介电层的在约800至900度的二次煅烧环境下变为液相的原料的晶粒生长和致密化。为此，可以使用包含诸如Si、Al或Ba的有利于形成液相的成分的添加剂。此外，在进行晶粒的致密化时，液相可以保留在一些区域中，例如晶粒之间的边界，即上述三相点晶界等，使得液相可以以液囊203的形式保留在最终产品中。为此，在致密化进行之后，在液囊203保留的状态下可停止烧结。详细地，可降低烧结温度(约1110℃)，并且可调节氢浓度。
如上所述，可在烧结期间检测保留在介电层111中的液囊203，液囊203可利用Ba-Si-O成分形成。为了在实现多层电容器100之后检测液囊203，可蚀刻介电层的表面以分析微观结构。在该过程中，液囊203可能会被移除。即使液囊203被移除，由于其形状与空腔不同，因此可以通过电子显微镜分析确认存在液囊203。
图5和图6是示出根据发明示例获得的多层电容器的介电层和内电极的放大的电子显微镜图像。在包括于主体中的介电层111中，在陶瓷烧结体中观察到存在液囊203的蚀刻区域，并且在图5和图6中通过圆圈表示相应的区域。此外，陶瓷烧结体可以包含空腔(V)，并且确认通常空腔V的尺寸大于液囊203的尺寸。基于截面，空腔V的尺寸值可以是0.1μm至10μm。此外，确认了在利用电子显微镜捕获图像时由于其形态特征在空腔V的边缘中发现了反射区域(图5和图6中的空腔的边缘中的白色区域)，使得空腔V和存在液囊203的位点可有效地彼此区分。
同时，图5和图6中示出的陶瓷烧结体是在彼此不同的条件下获得的。在图5中，观察到每20μm2约25个液囊，在图6中，观察到每20μm2约42个液囊。因此，基于截面，图6的陶瓷烧结体的每1μm2面积的液囊203的数量可大于2。使用相同的BT基陶瓷颗粒作为原料获得图5和图6的样品，并且仅添加剂成分部分地彼此不同。在图6的样品中，使用有利于形成液相的Al添加剂。因此，在图6的样品中，Al成分均匀地分布在晶粒中。此外，通过相同的方法烧结图5和图6的样品，并将烧结温度设定为约1120℃。
作为对如上所述液囊的出现频率彼此不同的样品执行可靠性测试的结果，与现有技术相比，两个样品的可靠性优异。但是，具有较大量液囊的图6的样品表现了进一步提高的可靠性。在这种情况下，可靠性测试中在苛刻条件下随着时间的推移，介电层的电阻降低至约10Ω至105Ω的情况被认为失效。如上所述，可以领会，当存在相对大量的液囊时，相应样品的可靠性是优异的。原因可能是如上所述在液囊周围抑制了晶粒生长，使得晶粒变雾化。
如上所述，根据本公开中的示例性实施例，通过控制形成主体的陶瓷烧结体的烧结性能、晶粒尺寸等，可提高多层电容器的可靠性。
虽然以上已经示出并描述了示例性实施例，但是对于本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可做出修改和变型。

Claims (16)

1.一种多层电容器，所述多层电容器包括：
主体，所述主体包括陶瓷烧结体，在所述主体中堆叠有多个内电极；以及
外电极，设置在所述主体的外表面上并且电连接到所述内电极，
其中，所述陶瓷烧结体包括液囊，
其中，所述液囊的至少一部分设置在所述陶瓷烧结体中的晶界处。
2.根据权利要求1所述的多层电容器，其中，所述液囊形成在通过包括在所述陶瓷烧结体中的多个晶粒中的至少三个彼此相邻的晶粒形成的多晶界处。
3.根据权利要求1所述的多层电容器，其中，在所述陶瓷烧结体中包括的多个晶粒中，与所述液囊相邻的晶粒的尺寸比与所述液囊不相邻的晶粒的尺寸小。
4.根据权利要求3所述的多层电容器，其中，在所述陶瓷烧结体中包括的所述多个晶粒中，与所述液囊相邻的晶粒的平均尺寸小于与所述液囊不相邻的晶粒的平均尺寸。
5.根据权利要求4所述的多层电容器，其中，在所述陶瓷烧结体中包括的所述多个晶粒中，与所述液囊相邻的晶粒的平均尺寸小于与所述液囊不相邻的晶粒的平均尺寸的一半。
6.根据权利要求1所述的多层电容器，其中，所述液囊的直径在10nm至50nm的范围内。
7.根据权利要求1所述的多层电容器，其中，所述液囊的平均直径在10nm至50nm的范围内。
8.根据权利要求1所述的多层电容器，其中，基于截面，每1μm2面积的所述陶瓷烧结体的液囊的平均数量在1至10的范围内。
9.根据权利要求8所述的多层电容器，其中，基于截面，每1μm2面积的所述陶瓷烧结体的液囊的平均数量大于2。
10.根据权利要求1所述的多层电容器，其中，所述陶瓷烧结体还包括空腔。
11.根据权利要求10所述的多层电容器，其中，所述空腔的尺寸比所述液囊的尺寸大。
12.根据权利要求10所述的多层电容器，其中，所述空腔基于截面具有0.1μm至10μm的尺寸。
13.根据权利要求1所述的多层电容器，其中，所述陶瓷烧结体利用钛酸钡基陶瓷材料形成，并包含Si成分或Al成分中的至少一种作为添加成分。
14.根据权利要求1所述的多层电容器，其中，所述多个内电极中的彼此相邻的内电极之间的平均间隔为0.4μm或更小。
15.根据权利要求1所述的多层电容器，其中，所述多个内电极的平均厚度为0.4μm或更小。
16.根据权利要求1所述的多层电容器，其中，所述液囊形成在分隔相邻的内电极的介电层中。
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